基于PLC的化學水處理控制系統的設計
摘要：介紹一種關于化學水處理工藝過程的PLC控制系統的設計，通過闡明化學水處理工藝特點及PLC控制系統各項功能，給出了一種詳細的設計方案．
關鍵詞 PLC；化學水處理；控制系統；系統畫面
0 引言
鍋爐是工業生產和人們生活中使用廣泛的設備之一，鍋爐水的處理工作，對確保鍋爐安全、經濟運行、節約燃料有著重要的意義，它是鍋爐運行中的一項重要的技術基礎工作．如果鍋爐給水沒有經過水處理或水處理不當，不但會縮短鍋爐的使用壽命、浪費燃料，甚至會造成重大設備事故和人員傷亡．目前鍋爐水處理系統的工藝流程設計中使用最廣泛的是離子交換法(化學處理法)和滲透法(物理處理法)．傳統的水處理過程多為繼電器控制或人工操作，系統故障多，工人勞動強度大，運行成本高，本文介紹的是基于PLC的化學處理法的水處理過程控制系統．
1 工藝流程[1]
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化學水處理的方法主要是離子交換法，即利用離子交換樹脂將水中溶鹽的離子吸收．經過一定時間的運行以后，離子交換樹脂會失效，這時就需要停止運行將樹脂再生(還原)，以便使樹脂可以重新使用(陽離子交換樹脂失效時，使用酸進行再生；陰離子交換樹脂失效時，使用堿進行再生)．為了保證不問斷的供水，化學水處理車間設有3組離子交換器，輪流進行再生．
系統的示意圖如圖1所示，該系統由三個系列的過濾器、陽床(陽離子交換器)、除CO，器、陰床(陰離子交換器)、除鹽水箱等多臺設備組成，程控系統控制工藝流程中的各個閥門、水泵和風機，根據運行時間選擇l#系列、2#系列以及3#系列的運行，在工藝模擬圖板上顯示出工藝流程的實際流向，并反映閥門、水泵、風機和加藥泵的運行狀態。
2 運行方式和控制系統的構成
根據運行的要求，控制裝置需控制三個系列的過濾器、陽床、陰床的投運、停運和再生，其運行方式分為1#系列運行、2#系列運行、3#系列運行、1#系列再生、2#系列再生、3#系列再生．三個系列的運行和再生可通過選擇鍵點動或自動進行．點動時按編制的程序進行操作，用點動按鈕進行轉步；自動時，按操作人員發出的啟動指令，由事先設定的時問自動轉步．3套設備同時在自動控制模式運行時，所有設備均運行產水，每套設備會自動按照預設定的運行水量定期進行再生及運行程序，每套設備在運行過程中PLC會自動比對已經運行的水量參數，當兩套或三套設備的已運行水量比較接近時系統會自動發出報警，提示設備管理人員調整進水流量防止出現兩套或三套設備同時進入再生狀態。
每套設備由設定的運行水量以及陰床智能電導率儀的測量值配合決定是否進行再生．正常運行情況下設備由運行轉入再生狀態是由預設定的運行水量進行控制的，當設備運行至設定的水量終點時，設備會自動由運行狀態轉入再生狀態．設備在正常運行狀態時，當遇到突然停電、停水、純水箱高液位停機、氣動閥進氣低壓等情況下，PLC的內部計量器會自動保持，待重新啟動時，由原保持流量值繼續計量，保證系統不會在系統停機、停水、停氣錯誤時計量．另外，設備的陰床出水口裝有智能電導率儀，可以防止出現水質超標的現象．當純水水質到達預設的電導率時，電導率儀會自動輸出報警信號，PLC會自動接收信號，并強制觸發設備由運行狀態轉入再生狀態，這樣可以保證不會因為原水水質發生變化等原因而使出水水質超標。
控制系統分為下位機和上位機：下位機采用德國西門子公司的S7—300 PLC，主要硬件配置[2]如下：
CPU315—2DP模件1塊
PS307—1E電源模件1塊
SM322 32點24V數字量輸出模塊6塊
SM321 32點24V數字量輸入模塊8塊
SM331 8通道模擬量輸入模塊3塊
CP341—1C，帶RS422／RS485接口的通訊模塊1塊
上位機的作用主要是提供一個人機交互界面，使操作人員可以直觀地了解現場各工藝參數，根據生產需要發出相應的控制指令．另外還可以使用大容量存儲器記錄歷史數據，管理人員據此了解一段時間內的生產狀況，為提高生產效率制定新的生產方案提供可靠的依據．為實現以上功能，組態軟件是最優的選擇．這里使用的組態軟件為STEP7 V5．0及Kingview5．0．它集控制技術、數據庫技術、網絡技術、人機界面技術、圖形技術于一身，包含動態顯示、報警、控件、趨勢、網絡通信等組件，提供了一個友好的用戶界面，只需編寫少量的代碼即可生成高質量的控制系統．系統構成框圖如圖2所示：
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3 程序設計
化學水處理系統的程序設計，可按照s7 300PLC的編程指令要求，編制相應的程序[3]．此控制系統包括1#系列陽床、陰床投運、停運程控，2#系列陽床、陰床投運、停運程控，3#系列陽床、陰床投運、停運程控，1#系列陽床、陰床再生程控，2#系列陽床、陰床再生程控，3#系列陽床、陰床再生程控．下面以1#系列陽床投運程控為例來說明其程序設計．1#系列陽床投運程序流程框圖如圖3所示．當1#系列投運時，同時開啟1#陽床進水閥、頂部排氣閥及運行1#清水泵，進行陽床正洗排氣1分鐘，然后開陽床正洗水閥，關頂部排氣閥，進行正洗3分鐘，之后關陽床正洗水閥，開1#陽床出水閥，并投運l#CO，脫氣風機，這就是陽床的投運程控過程。
4 系統軟件
控制系統在Windows 2000環境下運行，組態軟件為STEP7 V5．0及Kingview5．0．系統利用組態軟件Kingview5．0的驅動程序與下位s7—300PLC進行數據通訊，包括數據采集和發送數據／指令；下位S7—300PLC則通過MPI卡與上位計算機交換數據，每一個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態軟件構成一個完整的系統，保證了系統高效率運行．
5 系統畫面
系統監控操作畫面可有多屏，包括了方便工人操作的監控畫面、為軟件工程師提供接口的整定畫面、形象直觀的模擬畫面、易于統計的參數畫面、便于追查事故原因的歷史趨勢畫面和提供技術分析信息的實時曲線畫面等等．
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畫面分為兩大類：操作員畫面和工程師畫面操作員畫面向操作人員提供了各種數據、曲線、功能鍵，顯示內容豐富鮮明、操作簡捷可靠．系統中畫面的組態編制有很多新穎之處，其中模擬畫面中的調節閥的閥位均可以從畫面中翻板示意的角度來得知，并在閥旁邊給出了三位有效數字(一位小數)的百分開度，形象、準確地反映了現場閥門的實際開度，使操作人員感到熟悉親切；系統共有三套脫氣塔風機及水泵，均為一用一備．為了準確反映各風機和水泵的運轉情況，該畫面中設置了風機和水泵動態旋轉葉片，運轉的風機及水泵其葉片在旋轉，備用風機及水泵葉片不變化，故操作人員可以清晰明了地看到風機及水泵的開備情況，動態顯示十分逼真；其它設備如氣動閥門等設備均有顏色變化來顯示其運行情況，如氣動閥門開啟時顏色為綠色，關閉時為紅色，故障時為黃色；在整個系統管網的各個控制點均有相應的采集數字顯示，真實地反映了各個控制點的瞬時值，總之，畫面中三大管道走向明了，主體設備位置確切，工作狀態形象生動，各種參數“就地顯示”，整個系統運行工況集于一屏，一目了然，實為操作員、技術員所喜愛的主畫面之一．
工程師畫面：為軟件工程師提供了進行系統整定的良好界面，是工程師在調節中進行參數修改和設定的重要環境，也是自控系統的核心．
6 歷史記錄的存儲和報表的打印
在定義變量時，記錄可設定為不記錄、數據變化時記錄和定時記錄．要根據實際情況選擇相應的設置，如流量變化較快，可選擇“定時記錄”；液位變化較慢，可選擇“數據變化時記錄”，這樣有利于節省存儲空間．對于歷史數據的查詢，提供了歷史趨勢曲線，可以通過設定查詢的起始、終止時間來顯示曲線的走向．
報表有實時報表和歷史報表兩種．實時報表的制作比較簡單，可用Word創建報告的模板，然后借助系統軟件提供的相關函數，把當前的參數值顯示出來．歷史報表有日報、月報和年報，由于報表格式復雜，中間還有大量的公式計算，因此使用Excel電子表格自行編寫程序從歷史數據庫中讀取相關變量，添入表格．
7 結束語
該系統的設計是以時間順序控制為主，同時加入智能現場分析儀表電導率儀的配合控制，使該化學水處理PLC控制系統具有別的控制器無法比擬的優越性．該系統得到了水處理工程師及儀控工程師的肯定和好評，已在廣州某不銹鋼廠的鍋爐水制備系統中使用．
參考文獻：
[1]畢效輝，武麗．基于PLC的凈水控制系統的設計[J]．中國自動化控制網，2003(3)：69-71．
[2]SIEMENS．SIMATIC s7系列、維修和編程[z]．
[3]王永華，送寅卯等．現代電氣控制及PLC應用技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．
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